空调房间温湿度PIλDμ解耦控制器的仿真研究及其性能分析

摘要

空调与自动控制技术对于保持室内良好的热湿环境，满足各情况下的舒适性需求起着至关重要的作用。由于空调房间的温湿度对象具有大惯性、较大时滞与耦合等复杂的动态特性，一些经典的控制技术及其应用，如整数阶PID室内温湿度控制系统的控制效果就不甚理想。因此，如何设计合理的新型室内温湿度控制器，使得相应的空调控制系统能够快速响应，克服室内热湿干扰，满足室内温湿度稳定的空调工艺要求，始终成为空调参数控制理论与技术领域的研究热点之一。
　　综合分数阶微积分理论，解耦控制理论和PID控制技术，本文针对空调房间的温湿度对象具有大惯性、较大时滞、时变与耦合等特性，提出了室内温度与湿度控制通道的解耦算法以及室内温湿度PIλDμ控制器的设计方案及其控制器参数的整定方法，且运用Matlab软件作为室内温湿度PIλDμ控制器及其控制系统的数值分析工具，对室内温湿度的控制效果进行了数值模拟，获取了表征其性能指标的室内温湿度变化规律，其主要研究内容如下：
　　1.基于机理建模方法，对空调房间的温度与湿度对象、空气处理机组、温湿度参数测量单元、执行单元的输入/输出特性和控制器进行了输入\输出特性的分析，分别建立了温度对象、湿度对象及其温湿度参数测量通道、冷/热水流量调节通道与加湿蒸汽流量调节通道的传递函数表达式。
　　2.基于整数阶PID控制器的参数整定方法，理论分析了PIλDμ控制器中的积分阶次λ与微分阶次μ变化时，对控制效果的影响。而且通过数值模拟被控对象的阶跃响应输出，获取了λ与μ的适宜取值范围。
　　3.针对室内温湿度的调节通道之间存在强耦合效应，应用前馈补偿法设计出室内温度与湿度控制通道的解耦算法，使得温湿度控制系统分别成为独立的控制单元，从而室内温度和湿度PIλDμ控制器能够各自进行控制参数Kp，KI，Kd，λ，μ的整定。
　　4.由于PIλDμ控制器性能的高低取决于其自身的5个控制参数取值多少。因此，将空调工艺对室内温湿度变化的误差要求作为控制目标，提出一种迭代式渐进变化的控制参数整定算法，分别获取室内温度和湿度PIλDμ控制器的控制参数最佳值Kp*，KI*，Kd*，λ*，μ*。基于Matlab中的Simulink环境，在空调制冷、制热两种模式下，分别对该温湿度分数阶PID解耦控制系统进行组态和数值仿真。结果表明，该温湿度PIλDμ解耦控制系统在理论上是可行的，且性能指标满足空调工艺要求。
　　5.对于相同的室内温湿度对象，在空调冬季和夏季工况下，也分别进行了PIλDμ解耦方式与PID解耦方式与PID非解耦控制方式的数值模拟。基于数值模拟结果的分析与比较，本文提出的室内温湿度PIλDμ解耦控制器及其系统无论在超调量，衰减比，控制误差和调节时间等性能指标方面，具备较为明显的优势。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 引言

1.2空调参数控制技术的研究现状

1.3 本课题主要研究内容

第2章 整数阶与分数阶PID控制技术基础

2.1 整数阶PID控制器

2.2 PIλDμ控制器的整定参数

2.3 本章小结

第3章 温湿度参数的解耦机理

3.1 线性多变量过程控制系统解耦原理与方法

3.2 室内温度与相对湿度调节通道的前馈补偿法解耦方案及设计

3.3 本章小结

第4章 空调房间温湿度PIλDμ解耦控制系统的构建

4.1 空调房间温湿度对象的输入\输出特性

4.2 空气处理机组的输入\输出特性

4.3 温湿度参数测量单元的输入\输出特性

4.4 执行单元的输入\输出特性

4.5 室内温度与湿度解耦系统的传递函数

4.6 本章小结

第5章 空调房间温湿度分数阶PID解耦控制系统的数值仿真及其性能分析

5.1 室内温湿度的PIλDμ控制器参数迭代整定

5.2算例仿真及其控制性能指标分析

5.3 室内温湿度的PIλDμ解耦控制系统与PID解耦控制系统的性能对比

5.4 室内温湿度的PIλDμ解耦控制系统与PID非解耦控制系统的性能对比

5.5 室内温湿度的PID解耦控制系统与PID非解耦控制系统的性能对比

5.6 本章小结

结论与展望

结论

展望

参考文献

致谢

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